風(fēng)電場(chǎng)電壓諧波事件分析

摘要：內(nèi)蒙古庫(kù)倫風(fēng)光電站2018年01月26日35KV系統(tǒng)串入高次諧波，電網(wǎng)電壓總畸變率超標(biāo)，導(dǎo)致#3主變接帶的41臺(tái)南車風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路350A熔斷器、電壓濾波回路1Ω電阻燒損。風(fēng)電場(chǎng)隨后對(duì)機(jī)組進(jìn)行了技術(shù)改造。本文介紹風(fēng)電場(chǎng)針對(duì)這一隱患進(jìn)行改造的技術(shù)方案和實(shí)施經(jīng)驗(yàn)。關(guān)鍵詞：風(fēng)電場(chǎng)；電壓諧波一、引言庫(kù)倫風(fēng)光電站總裝機(jī)423.5MW，其中：風(fēng)電容量403.5MW、光伏容量20MW。安裝187臺(tái)華銳SL1500型風(fēng)電機(jī)組、75臺(tái)南車WT1650型風(fēng)電機(jī)組，于2011年4月全部投產(chǎn)發(fā)電。二、事件經(jīng)過(guò)環(huán)境情況：2018年1月26日，1時(shí)風(fēng)電場(chǎng)平均風(fēng)速3.1m/s，2時(shí)平均風(fēng)速4.2m/s，5時(shí)平均風(fēng)速5.0m/s，夜間風(fēng)況呈逐步上升趨勢(shì)。06時(shí)40分后平均風(fēng)速降至風(fēng)電機(jī)并網(wǎng)風(fēng)速以下（風(fēng)電機(jī)并網(wǎng)風(fēng)速3m/s），風(fēng)電機(jī)全部處于待機(jī)狀態(tài)。2018年1月26日00時(shí)20分，南車NC017風(fēng)電機(jī)報(bào)網(wǎng)側(cè)接觸器690V熔斷器故障，風(fēng)電機(jī)停機(jī)。2018年1月26日00時(shí)21分NC014風(fēng)電機(jī)故障停機(jī)。2018年01月26日01時(shí)26分#3主變共帶負(fù)荷-476.32kW，無(wú)功功率為-12247kVar。#5、#7無(wú)功補(bǔ)償裝置帶感性12000kvar負(fù)荷。01：12至01：52，新增17臺(tái)南車風(fēng)電機(jī)故障停機(jī)。02：00至02：22，新增7臺(tái)南車風(fēng)電機(jī)故障停機(jī)。04：30至04：56，新增11臺(tái)南車風(fēng)電機(jī)故障停機(jī)。05：10至05：12，南車風(fēng)電機(jī)故障停機(jī)2臺(tái)。06：07，南車風(fēng)電機(jī)組故障停機(jī)2臺(tái)。00：20至06：07，共計(jì)41臺(tái)南車風(fēng)電機(jī)組故障停機(jī)，停機(jī)機(jī)組均接入220kV#3主變，故障名稱均為“網(wǎng)側(cè)接觸器690V熔斷器、變頻器檢測(cè)脫網(wǎng)和變頻器測(cè)試檢測(cè)到電網(wǎng)掉電”。三、原因分析1月26日07:00，現(xiàn)場(chǎng)檢修人員和運(yùn)維人員進(jìn)行登機(jī)檢查，風(fēng)電機(jī)組變頻器系統(tǒng)各部件正常、測(cè)試發(fā)電機(jī)絕緣正常，發(fā)現(xiàn)所有故障機(jī)組均為變頻器電壓濾波回路1Ω濾波電阻（每臺(tái)機(jī)組6個(gè)）、變頻器網(wǎng)側(cè)690V350A熔斷器（每臺(tái)機(jī)組3個(gè)）和變頻器網(wǎng)側(cè)125A熔斷器（每臺(tái)機(jī)組3個(gè)）存在不同數(shù)量燒損、熔斷現(xiàn)象，其它設(shè)備無(wú)異常。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，其中1Ω濾波電阻累計(jì)損壞102個(gè)，350A熔斷器累計(jì)損壞87個(gè)，125A熔斷器累計(jì)損壞5個(gè)。查閱風(fēng)電機(jī)SCADA監(jiān)控后臺(tái)，發(fā)現(xiàn)故障機(jī)組故障時(shí)三相電流突變、波形存在嚴(yán)重畸變現(xiàn)象，因26日夜間風(fēng)速較小，未出現(xiàn)機(jī)組大面積啟停，變電站設(shè)備無(wú)倒閘操作，投運(yùn)的SVC設(shè)備無(wú)功輸出無(wú)變化，故障錄波未啟動(dòng)。初步判斷存在電網(wǎng)諧波入侵情況。隨后查看變電站220kV#3主變電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置，由圖1可看出1月26日，#3主變35kV側(cè)在00:00:00電網(wǎng)電壓諧波總畸變率達(dá)4%，持續(xù)0.5h左右；在01:30:00再次出現(xiàn)了電網(wǎng)電壓諧波總畸變率異常，畸變率達(dá)7.8%，持續(xù)2.5h左右；在05:45:00再一次出現(xiàn)了電網(wǎng)電壓諧波畸變，最大畸變率達(dá)12%，持續(xù)5h左右。0時(shí)至11時(shí)，電壓諧波畸變率平均值超過(guò)5%，電壓諧波總畸變率嚴(yán)重超標(biāo)（35kV電壓諧波總畸變率國(guó)標(biāo)值為3%）。圖1：220kV3#主變35kv側(cè)的電壓總畸變波形圖通過(guò)與對(duì)端站汗海變運(yùn)行人員聯(lián)系，確認(rèn)汗海變?cè)?6日0時(shí)至7時(shí)，故障錄波裝置頻繁報(bào)警啟動(dòng)，具體原因不明。其余19臺(tái)未發(fā)生上述故障，其中NC064風(fēng)電機(jī)于2017年11月份將變頻器網(wǎng)側(cè)電壓濾波回路1Ω濾波電阻改造為0.5Ω電阻進(jìn)行試驗(yàn)（試驗(yàn)原因?yàn)椋簬?kù)倫風(fēng)電場(chǎng)綜合治理期間，因華銳機(jī)組變頻器網(wǎng)側(cè)電壓濾波回路1Ω電阻頻繁燒損，同時(shí)導(dǎo)致350A保險(xiǎn)燒損。華銳技術(shù)人員對(duì)電壓濾波回路進(jìn)行改造，將1Ω電阻改造為0.5歐電阻），該機(jī)組于26日凌晨5點(diǎn)09分至5點(diǎn)52分處于運(yùn)行狀態(tài)，未發(fā)生故障。該時(shí)間段內(nèi)35kV系統(tǒng)內(nèi)高次諧波含量超標(biāo)；NC050、NC052和NC065機(jī)組分別并網(wǎng)運(yùn)行22分、35分和34分鐘，相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)35kV系統(tǒng)內(nèi)高次諧波含量輕微超標(biāo)，未發(fā)生機(jī)組故障。其余15臺(tái)機(jī)組因風(fēng)速不滿足啟動(dòng)條件，未啟動(dòng)運(yùn)行。（一）電壓濾波回路1Ω濾波電阻損壞的原因通過(guò)對(duì)1月26日NC019風(fēng)電機(jī)變流器故障時(shí)刻記錄的電網(wǎng)電壓和故障前記錄的電網(wǎng)電壓波形進(jìn)行分析（見圖2、圖3），可以看出故障時(shí)刻的電網(wǎng)電壓波形存在嚴(yán)重的畸變。電網(wǎng)電壓諧波含量超過(guò)濾波電阻工作范圍（允許值≤5%）而擊穿損壞。圖2：NC019機(jī)組故障時(shí)刻電網(wǎng)電壓波形圖圖3：NC019機(jī)組故障前18h電網(wǎng)電壓波形圖對(duì)故障機(jī)組損壞的1Ω濾波電阻進(jìn)行解體，發(fā)現(xiàn)1Ω濾波電阻燒損后，對(duì)其散熱背板存在放電痕跡（見圖4）。圖4：55#機(jī)組功率電阻解體圖（二）轉(zhuǎn)子主回路350ASIBA熔斷器熔斷損壞的原因通過(guò)NC019機(jī)組故障時(shí)刻電壓、電流波形圖，發(fā)現(xiàn)機(jī)組在并網(wǎng)發(fā)電的瞬間由于B、C相電網(wǎng)電流的瞬時(shí)值達(dá)到了2600A和2900A，主回路350A熔斷器過(guò)電流擊穿損壞。故障時(shí)刻的電壓、電流波形（見圖5）。圖5：NC019機(jī)組故障時(shí)刻電壓、電流波形圖通過(guò)濾波電阻解體分析，可以看出電阻是由于過(guò)載導(dǎo)致?lián)p壞，損壞的電阻內(nèi)部有很明顯的灼傷痕跡，電阻燒損擊穿后對(duì)其背板放電導(dǎo)致轉(zhuǎn)子回路接地短路。從而導(dǎo)致350A熔斷器熔斷損壞。（三）電壓濾波回路125A熔斷器未發(fā)生大量熔斷的原因如圖6、圖7所示，350A熔斷器為變頻器主回路熔斷器，負(fù)責(zé)在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和變頻器主回路出現(xiàn)過(guò)電流時(shí)及時(shí)熔斷，保護(hù)發(fā)電機(jī)和變頻器各部件。125A熔斷器為電壓濾波回路熔斷器，負(fù)責(zé)保護(hù)電壓濾波回路元件。由于125A熔斷器設(shè)計(jì)熔斷時(shí)間為70ms，而350A熔斷器熔斷時(shí)間為2ms，因此在短路瞬間，350A熔斷器先于125A熔斷器熔斷。圖6：變頻器主電路圖圖7：電壓濾波回路圖綜上分析，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組實(shí)測(cè)平均風(fēng)速大于切入風(fēng)速時(shí)，隨著風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速上升，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1200轉(zhuǎn)時(shí)，網(wǎng)側(cè)接觸器吸合，變頻器網(wǎng)側(cè)電壓濾波回路啟動(dòng)，同時(shí)機(jī)側(cè)變頻器對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行勵(lì)磁。此時(shí)，電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)存在大量高次諧波，風(fēng)電機(jī)網(wǎng)側(cè)變頻器電壓濾波回路未能應(yīng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)瞬間出現(xiàn)的高次諧波，造成濾波電阻過(guò)載燒損，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子回路短路接地，進(jìn)而引發(fā)350A熔斷器損壞。（四）諧波來(lái)源分析1月26日上午10時(shí)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員先后將220kV#3主變無(wú)功補(bǔ)償裝置和220kV#3主變所帶機(jī)組全部停運(yùn)，此時(shí)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置顯示電網(wǎng)仍存在高次諧波，由此判斷諧波不是由現(xiàn)場(chǎng)主變、無(wú)功補(bǔ)償裝置、集電線路及風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生。11時(shí)30分，電網(wǎng)諧波含量持續(xù)降低至標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，通過(guò)與對(duì)端站汗海變聯(lián)系，確認(rèn)在此期間對(duì)端站故障濾波頻繁起動(dòng)，可確定諧波來(lái)自電網(wǎng)。四、措施及效果LC濾波器接線圖如圖7所示。Rd由2個(gè)1歐姆電阻并聯(lián)而得，現(xiàn)在需要用2個(gè)0.5歐姆的電阻替換原來(lái)的阻尼電阻。更換阻尼電阻后系統(tǒng)是否能正常運(yùn)行，下面將從阻尼特性和發(fā)熱特性兩個(gè)方面來(lái)驗(yàn)證。原1.5MW級(jí)風(fēng)電機(jī)組網(wǎng)側(cè)LC濾波器串聯(lián)阻尼電阻支路電路圖如圖7。如圖7所示，除了該濾波電阻回路外還有一組電容與之LC濾波器單相等效電路為：圖8：串聯(lián)電阻無(wú)源阻尼（一）LC濾波器參數(shù)如下表所示L0.4mHC29×33.4μFC19×33.4μFRd0.5Ω（二）濾波電阻對(duì)LC濾波特性的影響LC濾波器在取不同阻尼電阻值時(shí)其頻率特性如圖9所示，由圖可知，隨著阻尼電阻由0.5Ω減小至0.25Ω，LC濾波器在諧振頻率處的衰減能力略有減小，但高頻諧波衰減能力基本不受阻尼電阻影響。所以，LC濾波器阻尼電阻的更換不會(huì)影響濾波器高頻濾波性能。圖9：頻率特性（三）阻尼電阻阻值對(duì)發(fā)熱功率的影響穩(wěn)態(tài)時(shí),單相阻尼電阻Rd的發(fā)熱功率計(jì)算公式為：當(dāng)電網(wǎng)頻率為50Hz時(shí)，Ug=690V，Rc=1/100πC2=10.59Ω，那么Rd0.5Ω0.25ΩId37.58A37.61APd706W354W阻尼電阻減小后，流過(guò)阻尼電阻的電流變化很小，阻尼損耗基本與阻尼電阻成正比。阻尼電阻減小一半，阻尼電阻的熱功率損耗大致也會(huì)減小一半。考慮到電網(wǎng)電壓波動(dòng)和電壓諧波的影響，上面計(jì)算時(shí)采用的電壓值應(yīng)提高15%，那么：Rd0.5Ω0.25ΩId43.21A43.25APd934W468W1.5MW級(jí)雙饋機(jī)組中，兩個(gè)600W的1Ω電阻并聯(lián)使用，等效阻值Rd為0.5Ω，總的額定功率為1200W，故允許流過(guò)兩個(gè)并聯(lián)電阻的總電流為：I=√（1200/0.5）=49A，裕度為：(49-43.21)/49=11.8%。如果將兩個(gè)600W的1Ω電阻更換為兩個(gè)600W的0.5Ω電阻，Rd為0.25Ω，總電流：I=√（1200/0.25）=69A，裕度：(69-43.25)/69=37.3%。更換阻尼電阻后，阻尼電阻發(fā)熱功率明顯減小，并且阻尼電阻的裕量也從11.8%增加至37.3%，增強(qiáng)了阻尼電阻的穩(wěn)定性，可有效避免阻尼電阻頻繁過(guò)熱導(dǎo)致的損壞。對(duì)比華銳機(jī)組和南車機(jī)組濾波回路圖可知,兩種機(jī)型接線方式和元件配置完全一致。之前華銳機(jī)組因?yàn)V波電阻頻繁燒損，已將1Ω濾波電阻全部更換為0.5Ω電阻（電阻功率一致，均為600W），此次電網(wǎng)電壓波動(dòng)及電網(wǎng)諧波事件中，華銳風(fēng)電機(jī)組未發(fā)生濾波回路電阻燒損問(wèn)題。為盡快恢復(fù)故障機(jī)組運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)檢修人員將所有故障機(jī)組完好的1Ω濾波電阻和350A熔斷器拆除，重新拼裝在故障機(jī)組上，并對(duì)機(jī)組變頻器系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，確認(rèn)無(wú)故障后逐臺(tái)啟機(jī)，機(jī)組恢復(fù)運(yùn)行。同時(shí)基于對(duì)華銳、南車機(jī)組對(duì)比分析，現(xiàn)場(chǎng)檢修人員選取5臺(tái)南車機(jī)組將1Ω濾波電阻更換為0.5Ω電阻進(jìn)行改造試驗(yàn)，改造后機(jī)組運(yùn)行正常，下一步將對(duì)南車機(jī)組濾波電阻全部進(jìn)行改造。除此之外，風(fēng)電場(chǎng)通過(guò)升級(jí)改造電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置并加強(qiáng)定期巡視，及早發(fā)現(xiàn)諧波異?，F(xiàn)象并采取有效措施避免類似事件的發(fā)生。五、總結(jié)優(yōu)化升級(jí)變頻器網(wǎng)側(cè)電壓RC濾波回路，減少濾波回路負(fù)載，從而降低電阻發(fā)熱量，可使電阻在電壓出現(xiàn)畸變時(shí)不會(huì)因過(guò)載而熔斷；將變頻器網(wǎng)側(cè)電壓濾波回路125A熔斷器優(yōu)化為3組40A熔斷器，對(duì)濾波回路進(jìn)行分級(jí)熔斷保護(hù)，可提升濾波回路保護(hù)的靈敏性；優(yōu)化、升級(jí)主控和變頻器控制程序，匹配升級(jí)后的